Sử dụng những quan sát từ NHO-3 máy dò muon, các nhà vật lý ở Ấn Độ và Nhật Bản đã khám phá một vùng chưa được hiểu rõ về phổ năng lượng tia vũ trụ một cách chi tiết chưa từng có. Fahim Varsi tại Viện Công nghệ Ấn Độ Kanpur và các đồng nghiệp đã xác định được một đặc điểm chưa từng thấy trước đây dưới dạng một đường gấp khúc trong quang phổ. Các quan sát cho thấy cần phải suy nghĩ lại về nguồn gốc của tia vũ trụ.

Được cấu tạo chủ yếu từ proton và hạt nhân helium, tia vũ trụ là những hạt có năng lượng cao liên tục bắn phá bầu khí quyển Trái đất. Khi chúng tương tác với khí quyển, các tia vũ trụ tạo ra những cơn mưa hạt thứ cấp, bao gồm electron, photon và muon – mưa xuống Trái đất.

Tia vũ trụ lần đầu tiên được xác định vào năm 1912, trong những quan sát đoạt giải Nobel do Victor Hess thực hiện. Tuy nhiên, thậm chí hơn một thế kỷ sau lần phát hiện đầu tiên của chúng, chúng ta vẫn còn nhiều điều cần tìm hiểu về bản chất của những hạt này. Trong khi các nhà thiên văn học tin rằng các tia vũ trụ có nguồn gốc từ một số nguồn khác nhau bao gồm các ngôi sao, siêu tân tinh và nhân thiên hà đang hoạt động, nguồn gốc của chúng vẫn chưa được hiểu đầy đủ vì các hạt bị từ trường làm chệch hướng khi chúng di chuyển những khoảng cách rất xa đến Trái đất.

Yêu cầu đo chính xác

“Tia vũ trụ được biết đến là hạt giàu năng lượng nhất trong vũ trụ,” thành viên nhóm nghiên cứu cho biết Pravata Mohanty tại Viện nghiên cứu cơ bản Tata ở Mumbai. “Việc đo chính xác hình dạng của phổ năng lượng nguyên tố trong các tia vũ trụ là cần thiết để nâng cao hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc, gia tốc và sự lan truyền của chúng”.

Một lỗ hổng đặc biệt rõ ràng trong hiểu biết nằm ở giữa phổ tia vũ trụ ở những mức năng lượng trong khoảng 100 TeV–1 PeV. Trong cửa sổ này, các hạt có năng lượng quá lớn để có thể được các máy dò trong không gian thu nhận trực tiếp, nhưng không đủ năng lượng để một số lượng lớn các hạt mưa tới được các máy dò trên Trái đất.

Để khám phá dải năng lượng này chi tiết hơn, nhóm của Varsi đã kiểm tra các quan sát từ thí nghiệm GRAPES-3. Đây là đài quan sát muon nằm ở phía nam Ấn Độ, bao gồm một dãy máy dò nhấp nháy. Cơ sở này nằm ở độ cao 2200 m so với mực nước biển, giúp phát hiện muon dễ dàng hơn trước khi chúng tương tác với khí quyển.

Mohanty giải thích: “GRAPES-3 chứa một máy dò diện tích lớn, cho phép chúng tôi đo thành phần nguyên tố của tia vũ trụ thông qua thành phần muon trong các trận mưa tia vũ trụ”. “Với diện tích phát hiện lớn hơn vài nghìn lần so với các máy dò trong không gian, GRAPES-3 đảm bảo độ chính xác thống kê đặc biệt cao trong các phép đo.”

Nghiên cứu bốn năm

Các nhà nghiên cứu đã đánh giá khoảng 8 triệu sự kiện mưa rào được quan sát trong khoảng thời gian 460 ngày vào năm 2014 và 2015. Do sự phức tạp của kỹ thuật phân tích và sửa lỗi nên quá trình phân tích phải mất bốn năm để hoàn thành. Đội nghiên cứu cho biết kết quả của họ cung cấp cái nhìn chi tiết đầu tiên về cửa sổ năng lượng trung bình.

Mohanty mô tả: “Nghiên cứu đã đo phổ proton trong các tia vũ trụ từ 50 TeV đến 1.3 PeV, kết nối hiệu quả các quan sát từ cả các phép đo trên không gian và trên mặt đất”.

Trong số những đặc điểm nổi bật nhất được nhóm của Varsi phát hiện là sự thay đổi trong phổ năng lượng ở khoảng 166 TeV, với nhiều proton vũ trụ hơn dự kiến ​​được phát hiện ở những năng lượng cao hơn một chút. Trước đây, các thí nghiệm trên mặt đất đã phát hiện ra một điểm gấp khúc tương tự ở khoảng 3 PeV, được cho là năng lượng tối đa đối với các tia vũ trụ có nguồn gốc từ các thiên hà.

Cho đến thời điểm này, các nhà nghiên cứu thường giả định rằng phổ năng lượng proton trong vùng quan sát có thể được mô tả bằng một định luật lũy thừa đơn giản. Tuy nhiên, khám phá của nhóm dường như đã phá vỡ giả định này.

Mohanty giải thích: “Nó cho thấy khả năng một loại nguồn, thường được cho là tàn dư siêu tân tinh, có thể tăng tốc một cách hiệu quả các tia vũ trụ lên đến chỗ gấp khúc được quan sát, trong khi một loại nguồn khác trở nên chiếm ưu thế ngoài chỗ gấp khúc đó”.

Bằng cách dựa trên những kết quả này, nhóm của Varsi hy vọng rằng các mô hình mới có thể sớm xuất hiện để giải thích những hiệu ứng này. Nếu đạt được, chúng có thể giúp củng cố sự hiểu biết của chúng ta về cách các tia vũ trụ xuất hiện, tăng tốc và lan truyền qua khoảng cách giữa các thiên hà.

Nghiên cứu được mô tả trong Physical Review Letters.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/kink-in-cosmic-ray-spectrum-puzzles-astrophysicists/